Eine Richtlinie zur Konstruktion genetischer Karten für verschiedene Populationen

Was ist eine genetische Karte?

Genetische Kartenkonstruktion Für verschiedene Populationen ist ein grundlegender Prozess in der Pflanzen genetischen Forschung, der es uns ermöglicht, Einblicke in die Anordnung und Verknüpfung von Genen auf Chromosomen zu gewinnen. Auch als genetische Verknüpfungskarte bezeichnet, wird sie erstellt, indem die Verbindungen zwischen genetischen Markern innerhalb einer Population analysiert werden.

Die Grundlage der Konstruktion genetischer Karten liegt im Konzept der genetischen Verknüpfung. Wenn zwei Loci, die normalerweise durch genetische Marker dargestellt werden, näher beieinander auf einem Chromosom liegen, werden sie tendenziell häufiger gemeinsam vererbt. Durch das Studium der genetischen Marker, wie molekulare Marker wie Mikrosatellitenmarker und SNP-Markierungenoder biologische Marker wie morphologische und biochemische Merkmale bei verschiedenen Individuen, können wir statistisch den Grad der Verknüpfung zwischen ihnen ableiten.

Kartierung einer RIL-Population, die für partielle Resistenz segregiert zu A. euteiches. (Boutet et al., 2016)

Forscher analysieren eine erhebliche Anzahl genetischer Marker und Verknüpfungshäufigkeiten zwischen elterlichen Individuen, um genetische Karten zu erstellen. Diese Karten können in Form von Verknüpfungsgruppen-Karten oder physikalischen Karten vorliegen, die beide die relativen Positionen der Loci auf den Chromosomen darstellen. Die Abstände zwischen den Loci werden normalerweise in genetischen Einheiten gemessen, die als Centimorgans oder Karteneinheiten bekannt sind. Diese Informationen helfen, die Sequenz und Lokalisierung von Genen auf den Chromosomen zu bestimmen.

Die Anwendungen von genetischen Karten von Pflanzen sind vielfältig und entscheidend für die Genomforschung, die Sortenverbesserung und die Genlokalisierung. Sie dienen als unverzichtbare Werkzeuge zum Verständnis der genetischen Struktur und Eigenschaften von Pflanzengenomen und bieten wertvolle Einblicke für Forscher, die die genetischen Grundlagen spezifischer Pflanzeneigenschaften verstehen möchten. Darüber hinaus bieten genetische Karten unschätzbare Unterstützung für molekulare Zuchtinitiativen und tragen zur Entwicklung verbesserter und wünschenswerter Pflanzensorten bei.

Bitte lesen Sie unseren Artikel. Genetische Verknüpfungsanalyse: Definition, Techniken und Anwendungen für weitere Einzelheiten.

Genetische Verknüpfungsanalyse in der Pflanzenforschung

Pflanzen-Genkartierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Erläuterung wesentlicher Aspekte der Pflanzen-genetik in verschiedenen Bereichen:

• Genetische Verknüpfung: Diese Methodik umfasst die Bestimmung der relativen Positionen von Genen auf Chromosomen durch die Analyse einer Vielzahl genetischer Marker, einschließlich molekularer oder genetischer Marker. Folglich erstellt die genetische Kartierung umfassende genetische Karten, die komplexe Zusammenhänge zwischen Genen aufdecken.
• Genlokalisierung: Durch genetische Kartierung kann der genaue Standort eines interessierenden Gens auf einem Chromosom bestimmt werden. Durch sorgfältige Analyse von genotypischen und phänotypischen Daten können spezifische Gene präzise lokalisiert und mit bestimmten Merkmalen von Interesse in Verbindung gebracht werden.
• Gen-Targeting: Genetische Kartierung ermöglicht die Erkennung der Richtung des Genübertrags, wobei die Identifizierung von Quellen und Zielen der Genübertragung im Vordergrund steht. Dieses wertvolle Wissen trägt erheblich zum Verständnis des Genflusses, der Verwandtschaft und der komplexen Muster der Genübertragung innerhalb einer bestimmten Population bei.
• Verwandtschafts- und Abstammungsanalyse: Durch genetische Kartierung können umfassende Analysen der Verwandtschaft und Abstammung zwischen Individuen, wie Vater-Sohn-, Bruder-Bruder- und Ahnenbeziehungen, durchgeführt werden. Diese Informationen sind von größter Bedeutung für das effektive Management von Genressourcen, die Entwicklung effizienter Zuchtstrategien und die informierte Auswahl von Elterntieren.

Mutation und Polymorphismus: Genetische Kartierung erweist sich als entscheidend, um Mutationen und Polymorphismen zu entdecken, die in Pflanzenpopulationen verbreitet sind. Durch eine umfassende Bewertung der genetischen Variation an verschiedenen Loci liefert sie wertvolle Einblicke in die genetische Vielfalt und Variation innerhalb der Population. Dieses Wissen unterstützt wiederum erheblich die Erhaltung von Genressourcen und die Fortschritte in den Bemühungen um genetische Verbesserung.

Bevölkerungszuordnung

Verschiedene Gruppen werden in der genetischen Kartierung verwendet, wobei häufige Kartierungspopulationen F1-Kartierungspopulationen, F2-Populationen, RIL (rekombinante inbred Linien) und DH (doppelt haploide) Populationen umfassen. F1-Kartierungspopulationen gehören zu den am häufigsten verwendeten Gruppen zum Erstellen genetischer Verknüpfungskarten. Diese Populationen entstehen durch die Kreuzung von zwei Eltern, was zur ersten Generation von Nachkommen führt. In der F1-Generation zeigen Individuen typischerweise dominante Merkmale, was sie einfacher zu beobachten und zu messen macht. Da die F1-Generation eine gleiche Anzahl von Genen von beiden Eltern erbt, ist sie wertvoll für die Analyse der genetischen Kartierung und die Bestimmung der Verknüpfung zwischen Marker-Loci. Die vereinfachten Genotypen der F1-Generation reduzieren die Komplexität der Analyse und erhöhen die Stabilität der genetischen Kartierung.

Die F2-Kartierungspopulation

Die F2-Kartierungspopulation stellt die zweite Generation von Nachkommen dar, die aus der Selbstbefruchtung oder Kreuzung (Kreuzhybridisierung) von F1-Individuen resultiert. F2-Individuen werden durch Selbstbefruchtung oder Kreuzung von F1-Individuen erzeugt, während F1-Individuen durch die Kreuzung von zwei Elternteilen erhalten werden. Die Selbstkreuzung umfasst die Paarung von Individuen innerhalb derselben F1-Generation, während die Interkreuzung die Paarung von Individuen aus verschiedenen F1-Generationen bezeichnet. Die Individuen der F2-Generation weisen komplexere Genotypen mit erhöhter genetischer Variation auf, da sie eine gleiche Anzahl von Genen von ihren vier Großeltern erben. Diese Merkmale führen zu den folgenden Eigenschaften der F2-Kartierungspopulation:

• Ausdruck von rezessiven Merkmalen: Aufgrund der erhöhten Komplexität der Genotypen in der F2-Generation können rezessive Merkmale auftreten und erfordern sorgfältige Beobachtung und Messung.
• Höhere genetische Vielfalt: Individuen der F2-Generation weisen eine größere genetische Variation im Vergleich zur F1-Generation auf, was eine bessere Erkundung und Analyse der miteinander verbundenen Beziehungen zwischen Loci ermöglicht.
• Erhöhte individuelle Variation in Genotypen und Phänotypen: Die größere individuelle Variation der F2-Generation in der Mapping-Population bietet mehr Variabilität und Informationen für die genetische Kartierung.

RIL-Kartierung von Populationen

RIL-Kartierungspopulationen sind reine Populationen, die durch Selbstbefruchtung von zwei inbred Elternlinien unter Verwendung sequenzieller Selbstbefruchtungsmethoden zur Erstellung genetischer Verknüpfungskarten gewonnen werden. Dieser Populationstyp wird häufig in genetischen Studien verwendet und umfasst die folgenden Schritte:

• Erstkreuz: Zwei verschiedene selbstbefruchtende reine Stämme oder Linien werden als Eltern ausgewählt und gekreuzt, um die F1-Generation hervorzubringen.
• Nachfolgende Selbstbefruchtung: Ausgehend von der F1-Generation werden aufeinanderfolgende Selbstbefruchtungsoperationen durchgeführt, wobei jede Generation von Individuen selbstbestäubt oder selbstgekreuzt wird, um selbstbefruchtete Individuen zu erzeugen.
• Populationsetablierung: Nach mehreren Generationen der Selbstbefruchtung stabilisieren sich die Genotypen unter den Individuen und werden fixiert, was zu einer großen Anzahl selbstbefruchteter Individuen führt, die eine RIL-Kartierungspopulation bilden.
• Markeranalyse: Individuen in einer RIL-Population werden mit DNA-Markern oder anderen molekularen Markern wie SNP-Markern, SSR-Markern und locus-spezifischen Sequenzen genotypisiert.
• Konstruktion einer genetischen Verknüpfungskarte: Durch die Analyse der Genotypen und verwandten phänotypischen Daten von Individuen in der RIL-Population werden rechnerische Methoden und statistische Modelle eingesetzt, um die Verknüpfungsbeziehungen und Abstände zwischen verschiedenen Marker-Loci abzuleiten und letztendlich die genetische Verknüpfungskarte zu erstellen. Diese Karten bieten wertvolle Einblicke in die Lage der Loci, Verknüpfungsbeziehungen und Segregation, die bedeutende Anwendungen beim Studium der genetischen Grundlagen komplexer Merkmale, der Genlokalisierung und der Korrelationsanalyse haben.

DH-Kartierungspopulationen

Genetikforscher nutzen häufig DH (Doubled Haploid) Mapping-Populationen, um genetische Verknüpfungskarten zu erstellen. Diese Populationen ermöglichen die asexuelle Fortpflanzung von Zellen und die Chromosomenreinigung, was zur Entwicklung von selbstkompatiblen Pflanzen oder Tieren führt.
Der Prozess der Erstellung und Nutzung von DH-Kartierungspopulationen umfasst die folgenden Schritte:

• Ersthybridisierung: Zwei Elterntiere, typischerweise selbstreine Individuen mit hoher Affinität, werden für die Hybridisierung ausgewählt.
• Asexuelle Fortpflanzung: Die hybriden Individuen durchlaufen geeignete asexuelle Fortpflanzungstechniken wie Pollenkultur, Embryokultur, haploide Induktion und In-vitro-Kultur. Diese Methoden führen zu asexuell reproduzierten Individuen, die genetisches Material nur von einem Elternteil enthalten und in ihrem Genom eine haploide Anzahl von Gametchromosomen aufweisen.
• Chromosomenreinigung: Verschiedene Techniken zur Chromosomenreinigung werden angewendet, um die Anzahl der Chromosomen in einem haploiden Individuum zu verdoppeln und es in ein doppelt haploides Individuum zu verwandeln. Zu den gängigen Methoden gehören die Chromosomenverdopplung, die Wiederherstellung der männlichen Fruchtbarkeit aus männlicher Sterilität und die Behandlung von Pollen. Dieser Prozess führt zu einer Gruppe von selbstbefruchteten und reinen haploiden Individuen, die die DH-Kartierungsbevölkerung bilden.
• Markeranalyse: Molekulare Markertechniken, wie zum Beispiel SNP (einzelner Nukleotidpolymorphismus) Marker, SSR (einfache Sequenzwiederholungen) Markerusw. werden für die Genotypanalyse von Individuen in der DH-Population verwendet. Genotypdaten werden durch Gen-Chips, PCR-Amplifikation und andere Methoden gewonnen.
• Konstruktion einer genetischen Verknüpfungskarte: Durch computergestützte Methoden und statistische Modelle analysieren Forscher die Genotypen und verwandten phänotypischen Daten von Individuen in der DH-Population. Diese Analyse hilft, die Verknüpfungsbeziehungen und Abstände zwischen verschiedenen Marker-Loci abzuleiten, was die Konstruktion einer genetischen Verknüpfungskarte ermöglicht.

Die Nutzung von DH-Kartierungspopulationen verkürzt erheblich die Zeit, die für Selbstbefruchtung und Reinigung benötigt wird, was zu einer hochreinen Population führt. Infolgedessen sind DH-Kartierungspopulationen zu einem leistungsstarken Werkzeug geworden, um genetische Verknüpfungskarten schnell zu erstellen und eine zügige Genlokalisierung zu ermöglichen.

Referenz:

1. Boutet, Gilles, et al. "SNP-Entdeckung und genetische Kartierung mittels Genotypisierung durch Sequenzierung von genomischem DNA des gesamten Genoms aus einer Erblichkeitspopulation von Erbsen." BMC Genomics 17.1 (2016): 1-14.